人因與工效學仿真及評價軟件的文獻分析

周鑫 ，李淑玲，鄭靖越，劉秦伊，張偉

(清華大學 工業工程系，北京 100084)

1 引言

近年來，人因與工效學(Human Factors and Ergonomics,HFE)領域發展迅速，研究熱點也不斷地發生變化。與此同時，HFE仿真及評價軟件在研究中發揮了重要的作用，并已得到大量的應用。為了全面把握HFE的發展趨勢，特別是HFE軟件的應用情況，本文基于中國知網(CNKI)和EI數據庫進行了文獻的調研與分析。

文章基于文獻檢索，從宏觀上把握HFE領域的研究現狀。通過對不同標準下文獻數量的總結，探究了主題詞的分布、主題詞隨時間的變化、學科交叉、國家分布和學術機構分布情況。在前述結果上進行二次檢索，總結常用的HFE軟件種類以及軟件的具體用途及其實證案例。

2 對象與方法

2.1 中文檢索

采用中國知網數據庫進行中文文獻檢索，檢索時間設定為2000年01月01日到2020年07月31日，檢索表達式設置為“主題 = 人機工程 OR 主題 = 人體工程 OR 主題 = 人類工效 OR 主題 = 人因工程”，文獻類型為“期刊論文”，共檢索出2745篇中文期刊論文。

2.2 英文檢索

采用EI Compendex數據庫進行英文文獻檢索。該數據庫會為每篇收錄文獻提供若干個控制詞(Controlled Vocabulary)和分類碼(Classification Code)。前者反映了文獻的研究主題，后者則體現了文獻涉及到的學科領域。與中文文獻相比，英文文獻在期刊的定位和分類上更細致一些。在Web of Science數據庫的Journal Citation Reports中，HFE領域下有16個專業的期刊。本研究從中選擇了4個與HFE最相關的期刊，分別是“Human Factors”、“Ergonomics”、“Applied Ergonomics”和“International Journal of Industrial Ergonomics”，使用EI Compendex數據庫檢索了這4個期刊在2000年-2020年間發表的論文作為素材，共檢索出8 593篇英文文獻。

2.3 二次文獻檢索

以上一部分的文獻檢索結果為素材，對中文文獻進行了兩策略二次檢索，對英文文獻進行了一輪二次檢索。中文文獻部分，第一策略檢索首先限定期刊為《人類工效學》，同時限定“全文 = 軟件 AND (全文 = 仿真 OR 評價)”，共檢索到426篇；第二策略檢索則限定“主題 = 軟件 AND (全文 = 仿真 OR 評價)”，共檢索到47篇。英文文獻部分，限定“全文=Software AND(全文=Simulation OR Evaluation)”，共檢索出113篇。

接著，由相關專業人員(三名HFE方向的博士研究生)獨立對檢索到的468篇中文文獻(兩次檢索中有5篇重復文獻被刪去)和113篇英文文獻進行人工分類與編碼，按照本文對HFE軟件的定義，判斷每一篇文獻是否屬于該范疇，對判斷“屬于”的文獻進一步分類該文獻中用到的仿真分析軟件以及軟件的用途。軟件列表和用途由三名博士研究生閱讀論文摘要并討論后確定。完成分類與編碼工作后，對三人的結果進行評分者間信度(Inter-rater Reliability，IRR)檢驗，匯報Krippendorff alpha系數。IRR系數在0.6～0.8之間表示評分者間的一致性可以接受，在0.8～1.0之間則表示評分者間的一致性非常好[1]。

3 結果

3.1 中文文獻檢索情況

國內發表的與HFE相關的文獻數量總體上呈上升趨勢，如圖 1所示。其中2020年僅計入上半年的文獻故數量較少。這反映出HFE領域一直是學界的研究熱點，越來越多的國內學者關注到HFE領域且取得了大量的研究成果。

通過使用中國知網數據庫中的“主題”分類功能，作者將檢索到的文獻按照主題詞進行分類(結果如圖 2所示)。在原始的檢索數據中，有1 022篇文獻的主題被分類為HFE的若干同義詞，故在主題詞的呈現上將其剔除，希望從其余的主題詞中發現HFE研究具體的應用領域。從圖中可以看出，國內HFE相關的研究主題豐富，研究熱點集中在“人機界面”、“人機交互”和“人體模型構建”上，與人機工程相關的設計(工業設計、產品設計、人性化設計)也得到廣泛探索。

通過中國知網數據庫的“學科分類”功能可以得到HFE領域的研究與其他學科領域的交叉情況。如表 1所示，除通用技術外，與HFE關聯最密切的具體學科領域分別是汽車工程、計算機軟件及計算機應用以及自動化技術。

表1 2000年-2020年間各學科領域中發表的

3.2 英文文獻檢索情況

本研究英文期刊接受全世界范圍內的學者投稿，故可以體現世界范圍內在HFE領域研究的國家分布和學術機構分布。表 2、表3分別為2000年-2020年間發表在四個HFE領域的核心期刊上論文的控制詞和分類碼的統計情況(各選取前十一條)。除去占比最高的第一條HFE，英文文獻的研究主題更多地關注與人的肌肉、生物力學、肌肉骨骼系統，以及與職業相關的風險及其預防措施。作為對比，中文文獻則更多地關注人機界面的設計和人機交互。從學科交叉角度看，英文文獻更多地涉及到生物學、醫學和與人的健康相關的學科領域。

表2 2000年-2020年間EI Compendex檢索HFE英文論文控制詞統計

表3 2000年-2020年間EI Compendex檢索HFE英文論文分類碼統計

進一步，按照每5年的時間間隔，統計該段時間內最熱門的HFE研究的控制詞，可以發現研究熱點的變化情況，如圖 3所示。近二十年來，肌肉骨骼系統和生物力學的相關研究一直是研究的熱點，但熱度有所下降，事故預防和風險評估相對穩定；在2005年-2009年間，數學建模、肌電圖學和汽車駕駛員的相關研究成為熱點，但持續性較弱；近十年以來，與人的健康相關的研究近十年成為新的焦點，物理治療方法也獲得一定關注；自動化系統中的HFE研究成為近五年間研究的新熱點。綜上，HFE的研究兼顧了學科傳統與技術進步，既有持續性的研究主題，也有與新技術相關的研究主題。

通過類似方法可繪制出發表文獻最多的國家隨時間變化的情況(結果見圖 4)。總的來說，發達國家在HFE領域的研究依然處在領先位置，特別是美國、英國、加拿大、澳大利亞、新西蘭等英語國家。中國作為唯一的發展中國家，論文的數量占比一直在穩步上升。圖中，中國文獻包含了來自中國大陸、中國臺灣和中國香港的發表文獻，值得注意的是，在2000年-2009年間，以來自中國臺灣(60.2%)和中國香港(27.0%)的文獻為主，而在2010年后則以來自中國大陸的文獻為主(46.0%)。此外，按照文獻的發表數量，可以發現在HFE領域較為靠前的學術組織/研究機構(如圖 5所示)。前十的機構有九個來自美國、英國、加拿大三個英語語系的發達國家，僅清華大學例外。

3.3 HFE仿真軟件文獻分析

一般意義上的HFE仿真軟件是指數字人體建模和仿真分析、評價軟件，例如：Jack、RAMSIS和CATIA中的人機工程模塊等。這些軟件以人機工程的理論研究為基礎，通過計算機建模的方式建立數字化虛擬人并將其放置于具體的場景之中，根據人的心理、生理和身體結構等因素，結合具體的任務評價“人—機—環”三大要素之間的協作是否合理，并尋找出導致不合理的原因，以保證人能夠安全、健康、舒適地開展工作，同時取得較高的工作效率。

Jack軟件是西門子公司出品的專業人體仿真模型與工效學評估軟件，最早由賓夕法尼亞大學人體模型和模擬中心開發。通過在三維仿真環境中應用數字虛擬人對產品或者任務流程進行分析，特別是基于HFE的設計分析，可提供包括可達性、舒適性、可視性的評估結論。RAMSIS是一款用于乘客仿真和汽車HFE設計的CAD軟件，用于模擬仿真駕駛員的行為。CATIA是一款集成化的產品設計軟件，整合了機械設計、工程分析、數字化仿真和數控加工等功能。其中，HFE設計與分析模塊具有基本的人體建模、任務分析、姿勢分析功能，并可以提供工效學評估結果。

除上述的幾款軟件之外，HFE軟件還包括了以駕駛模擬器為代表的場景仿真類軟件、輔助產品設計開發的三維建模類軟件和彌補已有軟件不足的自開發類軟件。

經過二次文獻檢索，共有73篇中文文獻和38篇英文文獻符合本研究的要求，其IRR系數為0.892。后續對軟件應用情況的分析均基于這共計111篇文獻。文獻的發表年份分布如圖 6所示，可以看到與HFE軟件相關的研究一直處于熱門狀態且呈現上升趨勢。

按照每篇文獻中使用的HFE軟件，統計其出現次數，結果如圖 7所示，“其他”項包含一些較為小眾的HFE軟件，包括AnyBody、Observer和Poser等。其IRR系數為0.908，表示評分者間一致性非常好。

從圖中可以看出，文獻中使用最多的軟件是場景仿真軟件，涉及的文獻占到了總文獻數量的23.4%；其次是Jack，占比為19.8%。按照文獻的語種對比分析，可以發現英文文獻中更多使用自開發的軟件，探討自開發軟件在HFE中應用的文獻占所有英文文獻的28.9%。而中文文獻更多是基于現有的軟件，自開發軟件僅占所有中文文獻5.5%。自開發軟件可以結合具體研究情景需要，克服現有軟件的不足，并有助于探索新的功能，某種程度上代表了HFE軟件的發展動能。從這一角度看，國內在新型HFE軟件的研發上與國外還存在一定的差距。

4 討論

表4 文獻中HFE仿真軟件用途分類

(1)HFE評估

HFE評估側重于對已有的產品或系統展開評估，常見的評估包括可視性、可達性、舒適性、疲勞、肌肉受力等指標，快速上肢動作分析(RULA)是常見的舒適度評價方法[2]。基于仿真軟件的評價可以更為便捷、無干擾、低成本和保證一定的準確性，進而指導當前產品或系統進行完善或指導未來產品或系統的開發。

(2)新系統(軟件/硬件)開發

新系統開發既指將現有的HFE軟件集成到新系統中，作為新系統的組成部分，或者彌補現有的HFE軟件的不足，研發出新一代的適合特定需求的新軟硬件系統。從軟件層面，學者的研究大都聚焦在開發新的評估算法[3]、仿真關鍵技術[4]和自動化姿勢分析方法等，將會提高HFE軟件評估結果的準確性，也拓寬了可提供的評估結果的種類；從硬件層面，開發HFE軟件適配的新型采集硬件可以提供準確性更高的原始數據，而新技術如增強現實和可穿戴技術讓結果的呈現和數據的采集變得更直觀和方便，這將是未來HFE軟件的發展趨勢。

(3)產品設計與改進

該分類下涉及到的產品的種類非常豐富，比如高校宿舍用的爬梯、列車的座椅、機床的操控面板、作業操控室的設計等。研究問題包括特定人體部位受力預測、工作姿勢分析、新陳代謝分析、維修仿真和評價、作業場所布局優化、生產工序優化等以便優化相應產品、系統、場所、工序的設計。

(4)影響因素探究

影響因素探究旨在利用HFE軟件構建起一套實驗平臺，尋找出可能影響特定因變量的因素，以及這些因素是如何影響因變量的。在這個過程中，可以建立起預測因變量的模型，或者尋找到讓目標最優的一套參數的設置。常用的軟件是各種場景仿真軟件，使用這些軟件可以極大的降低構建實物系統的高時間經濟成本，也讓一些涉及到險情下人的反應的研究可以安全的展開。

2.試劑及儀器：3%戊巴比妥鈉、鹽酸利多卡因注射液、2%氯化三苯基氯化四氮唑(TTC)溶液和SP試劑盒購自北京中杉金橋生物技術有限公司，ET-1抗體、eNOS抗體、ETA抗體、ETB抗體均購自北京博奧森生物技術有限公司，2號尼龍釣魚線(直徑0.234 mm，亞馬遜釣具，千分尺(測量范圍0～25 mm，購自杭州凱優特貿易有限公司，以及數碼相機(尼康D90，日本)、光學顯微鏡(蘭州大學第二醫院病理科)和手術器械等。

(5)人機軟件測評

人機軟件測評是指通過招募實驗被試完成特定的實驗任務，將實驗過程中采集到的數據與通過HFE軟件構建虛擬人完成實驗任務所得到的數據相比較，旨在驗證人機軟件是否可以真實地評價現實系統的相關數據，進而評價有關的效度問題。

(6)數字人體建模

作為HFE軟件最基礎的功能，數字人體建模可以幫助使用者完成人體的生物力學、與人體尺寸相關的分析。未來的建模軟件還可以在實驗數據支持下，在數字人體建模時融入更多的人的特性數據，如視野、視力、聽力、喜好等。

(7)軟件發展趨勢

人機工程仿真與評價軟件在基礎功能模塊部分逐漸走向成熟，現有的軟件可以幫助科研人員快速地完成產品的工效學評估。目前，更多的精力聚焦在基于現有軟件的新系統開發之上，這一方面拓寬了軟件的應用場景，另一方面也為軟件的開發和改進提供了新的思路。未來的人機工程軟件將可提供多種交互方式，深度集成AR、VR、AI和可穿戴技術，提供更多個性化、定量化的評估結果。

5 總結

通過上述文獻調研，本文發現中文文獻中的HFE研究更關注人機界面和人機交互等主題，而英文文獻則聚焦于肌肉骨骼系統、生物力學和職業風險干預等主題。總體而言，HFE領域的論文發表數量逐漸增加，而研究熱點的變化則表現出HFE的延續性和適應性，肌肉、生物力學相關的研究近20年一直是研究熱點，同時新技術的出現也催生出汽車駕駛、產品設計、健康、物理治療方法和自動化等新的研究主題，體現出人因與工效學研究與新技術相結合幫助解決其與人的兼容性問題。

發表在SCI期刊上論文數量最多的國家近20年未發生大的改變，大都為英語語系或者近英語語系的少數發達國家，只有中國例外；發表論文數量最多的十家學術機構除中國的清華大學外，其他九家全部來自美國、英國和加拿大。

從使用情況上看，占據主導地位的HFE軟件是CATIA/DELMIA，最主要的兩個用途是產品的設計與改進和進行人機工效學評估；中英文文獻的主要差異在于自研軟件的研究占比。未來HFE軟件有望擁有更多元化的人因學評價方法，采集更高精度的原始數據，并與AR、VR、AI和可穿戴技術為主的新技術相結合，國內企業及科研機構應抓住機遇，推進軟件的開發與應用。